Análise e Tratamento de Anomalia de Medição de Transformador Combinado ao Ar Livre de 35 kV

1. Introdução

Ocorrencias frequentes de sobrecarga e fusão de fusíveis primários em transformadores combinados levam a medições inacuradas de energia e ameaçam seriamente a operação segura da rede elétrica. Este artigo se concentra nos danos repetitivos de PT e fusões de fusíveis de um transformador combinado de 35 kV, investiga as causas dos defeitos, propõe soluções e recupera a quantidade incorreta de energia através de coeficientes de correção. Isso reduz efetivamente as perdas na rede e atenua os riscos de serviço.

1.1 Introdução aos Transformadores Combinados

No sistema de energia, os transformadores combinados são componentes-chave de dispositivos de medição e proteção. Compostos por transformadores de tensão (PT) e transformadores de corrente, eles utilizam a diferença de enrolamentos entre os lados primário e secundário para converter grandes correntes e altas tensões do lado primário em pequenas correntes e tensões adequadas para instrumentos secundários e proteção por relé. Ao mesmo tempo, eles alcançam o isolamento elétrico entre os lados primário e secundário para garantir a segurança das pessoas e equipamentos no lado secundário.

2. Riscos de Defeitos em Transformadores Combinados

Como um dispositivo central de medição de energia no sistema de energia, o PT de um transformador combinado é responsável por converter sinais de alta tensão em sinais de baixa tensão para dispositivos de medição/proteção. Quando o PT é danificado ou o fusível de alta tensão derrete, os riscos são os seguintes:

• Precisão de Medição Comprometida : Danos ao PT e fusão de fusíveis podem causar erros no sistema de medição de energia, afetando a precisão da medição e desencadeando disputas entre empresas de fornecimento de energia e usuários.

• Aumento da Taxa de Falhas de Equipamentos : Danos ao PT podem causar desequilíbrio de tensão no sistema (muito alto/muito baixo), perturbando a estabilidade do sistema; falhas no transformador também podem causar funcionamento anormal dos dispositivos de proteção, aumentando o risco de falha de outros equipamentos.

• Riscos à Segurança Pessoal : Os transformadores combinados são equipamentos de alta tensão. Danos podem levar a ruptura de isolamento e vazamento, ameaçando a segurança pessoal de operadores e manutenção.

3. Causas de Defeitos de Sobretensão em Transformadores Combinados

Durante a operação real, os transformadores combinados frequentemente experimentam fusão de fusíveis de alta tensão e queima de PT. As principais causas incluem:

• Sobretensão por Resonância Ferromagnética : Componentes ferromagnéticos são lineares sob tensão nominal. Durante falhas, o circuito magnético satura, e a indutância muda de forma não linear. Formando um loop de oscilação com a capacitância do sistema, isso desencadeia uma ressonância ferromagnética contínua. A sobretensão causa fusão/queima frequente de fusíveis de alta tensão de PT, ameaçando a segurança da rede.

• Carga Secundária Excessiva : Carga secundária excessiva faz com que o transformador gere muito calor com difícil dissipação térmica. A temperatura interna do enrolamento sobe demais, eventualmente queimando o PT.

• Curto-Circuito Lado Primário-Secundário : Curto-circuitos no lado primário/secundário do PT geram correntes elevadas, causando fusão de fusíveis de alta tensão e queima de equipamentos.

• Sobretensão de Manobra : Operações inadequadas geram sobretensão, causando a fusão de fusíveis de alta tensão de PT.

• Sobretensão por Relâmpago : Sobretensão direta/indutiva por relâmpago rompe o isolamento do enrolamento, danificando o equipamento.

4. Análise de Caso
4.1 Informações Básicas do Usuário

Em 23 de agosto de 2021, ocorreu um defeito de queima de PT na fase A do transformador combinado de um usuário de 35 kV, resultando em medição inacurada de energia. No ano anterior, este transformador combinado havia sofrido 3 falhas. Antes de janeiro de 2021, o usuário era alimentado pela subestação Shazi de 35 kV com medição normal. Após agosto de 2021, o fornecimento de energia foi alterado para a linha de saída de 35 kV da subestação Zhoujiaba de 110 kV (linha dual Zhouri #354 e Zhouwan #353). O comprimento total da linha é de aproximadamente 1,5 km. O lado de 35 kV é aterrado via bobina de extinção de arco. Os pontos de medição são definidos nas duas linhas de saída de 35 kV da subestação Zhoujiaba de 110 kV. O diagrama de conexão primária está mostrado na Figura 1.

4.2 Pontos de Medição e Cronologia de Falhas

Ambos os pontos de medição usam transformadores combinados de 35 kV, com conexão trifásica de três fios e conexão V/V para transformadores de tensão. Entre eles:

• Linha Zhouri de 35 kV #354 (Ponto de Medição 2): Opera normalmente, sem falhas;

• Linha Zhouwan de 35 kV #353 (Ponto de Medição 1): Falhas frequentes.

Cronologia de Falhas:

• 23 de agosto de 2021: Primeira queima de PT, substituído por produtos da Henan Xinyang Hutong Electric Co., Ltd.;

• 4 de março de 2022: PT queima novamente, substituído por transformadores combinados da Jiangxi Gandi Electric Co., Ltd.;

• 13 de junho de 2022: Fusível de alta tensão da fase C derrete, perda de tensão;

• 21 de setembro de 2022: Fusível de alta tensão da fase A derrete, perda de tensão novamente.

4.3 Análise de Falhas

Quando a falha ocorreu, a carga do usuário era leve, a fiação secundária estava normal e não havia curto-circuito. Após testes:

• A resistência de aterramento da linha está em conformidade e pertence a um sistema de aterramento não eficaz. Falhas de aterramento podem causar facilmente que a corrente de raio não seja descarregada, desencadeando a fusão de fusíveis;

• Não houve sobretensão durante a operação e manutenção, eliminando fatores humanos.

Combinando fenômenos de falha e causas comuns, a principal causa é determinada como sobretensão por ressonância ferromagnética, com cenários específicos de disparo:

• Disparado por Falhas de Aterramento: Quando ocorre um aterramento monofásico na linha, o enrolamento do PT e a capacitância linha-terra formam um circuito paralelo, atendendo às condições para ressonância ferromagnética. O aterramento monofásico causa o aumento da tensão das outras duas fases, o núcleo de ferro satura rapidamente e a ressonância causa o aumento da corrente do enrolamento, fundindo o fusível de alta tensão; a corrente excessiva prolongada também queima o PT.

• Disparado por Operação Inadequada: A carga trifásica do sistema é basicamente equilibrada, mas durante operações de manobra, as três fases não são sincronizadas (fechamento/abertura não simultâneos), causando corrente de impulso no enrolamento do transformador de tensão e saturação do núcleo de ferro, desencadeando sobretensão por ressonância ferromagnética.

4.4 Soluções

Após analisar as causas das falhas, as seguintes medidas são tomadas:

• Instalar Dispositivos de Eliminação de Harmônicos: Instalar 1 conjunto de dispositivos de eliminação de harmônicos no lado da barra de 35 kV da subestação para suprimir a recorrência de ressonância ferromagnética.

• Proteção Contra Sobretensão no Lado Secundário: Instalar dispositivos de proteção contra sobretensão no lado secundário para resistir à sobretensão causada por fatores ambientais e proteger o isolamento interno do transformador.

• Detectar e Tratar Harmônicos: Usar um calibrador de medidores de energia no local para detectar harmônicos na tensão secundária. Se houver anomalias, incentivar os usuários a tratá-las para garantir conformidade com GB/T 14549-1993 "Qualidade de Energia - Harmônicos em Redes Elétricas Públicas": taxa de distorção harmônica total da tensão de 35 kV ≤ 3%, harmônicos ímpares ≤ 2,4%, harmônicos pares ≤ 1,2%.

Efeito da Implementação: Após a implementação das medidas, o transformador combinado opera normalmente, sem queimas de PT ou fusões de fusíveis.

4.5 Cálculo de Reconciliação de Quantidade de Energia

A precisão da medição de energia está relacionada aos interesses econômicos de ambas as partes, fornecedora e consumidora. Falhas requerem reconciliação de energia. Este artigo toma a terceira falha como exemplo e usa o método do coeficiente de correção para o cálculo:

Princípio: Comparar a potência ativa durante a medição correta e a medição incorreta para obter o coeficiente de correção k, e então calcular a quantidade de energia de reconciliação \(\Delta W\). Assumindo que a carga trifásica está equilibrada, a fórmula para o coeficiente de correção k é:

(1) Interpretação do Coeficiente de Correção k

Quando k > 1, a potência ativa durante a medição correta é maior do que durante a medição incorreta. O medidor de energia registra menos energia durante a falha, e o cliente deve compensar a quantidade de energia. Quando k = 1, o medidor de energia mede corretamente. Quando 0 < k < 1, o medidor de energia registra mais energia, e a quantidade de energia deve ser reembolsada ao cliente. Quando k < 0, o medidor de energia inverte, e o cliente deve compensar a quantidade de energia.

(2) Parâmetros de Medição Relacionados ao Usuário

A capacidade de recepção do usuário é de 2500 kVA, e o método de medição é de alta tensão para alta medição (medição por caixa de medição combinada de alta tensão). A relação de tensão é de 35000 V/100 V, e a relação de corrente é de 50 A/5 A. O multiplicador de medição composto é 3500. A capacidade do medidor de energia é 3&times;100 V/3&times;1.5 - 6 A, com precisão de 0,5S.

A terceira falha do usuário ocorreu em 13 de junho de 2022, com perda de tensão na fase C. A energia foi restaurada por volta das 8:00 em 4 de agosto de 2022. A tarifa de energia por horário foi implementada a partir de 1º de julho de 2022. Os dados coletados, como tensão do sistema, potência e fator de potência, estão mostrados na Tabela 1.

Cálculo da Quantidade de Energia de Reconciliação para o Primeiro Estágio

Como pode ser visto na Tabela 1, no período de 13 de junho de 2022 a 30 de junho de 2022, a tensão da fase A é normal, o fator de potência médio é 0,82, e o ângulo do elemento é 34&deg;(L). Então o ângulo do fator de potência &phi;=4&deg;(L).Assumindo que a carga está equilibrada, o coeficiente de correção é:

O cálculo da quantidade de energia de reconciliação é o seguinte:

Das Fórmulas (2) e (3), pode-se ver que k > 1, significando que a energia foi submedida, e uma quantidade adicional de 15.134 kWh deve ser recuperada.(2) Cálculo da Quantidade de Energia de Reconciliação para o Segundo Estágio.No período de 1º de julho de 2022 a 4 de agosto de 2022, a tensão da fase A é normal, o fator de potência médio é 0,87, e o ângulo do elemento é 29&deg;(L). Então o ângulo do fator de potência &phi;=0&deg;.Assumindo que a carga está equilibrada, o coeficiente de correção é:

O cálculo da quantidade de energia de reconciliação é o seguinte:

Das Fórmulas (4) e (5), pode-se ver que k > 1, significando que a energia foi submedida, e uma quantidade adicional de 51.996 kWh deve ser recuperada.Quantidade total de energia de reconciliação a ser recuperada:

5. Conclusão

Na operação real, os transformadores combinados frequentemente queimam e os fusíveis de alta tensão derretem, ameaçando seriamente a segurança da rede. Geralmente, tais problemas resultam de sobretensão por ressonância, juntamente com design/seleção inadequados de equipamentos e desajustes de parâmetros.

Ao analisar falhas: primeiro, verificar defeitos no transformador e confirmar a capacidade dos fusíveis de alta tensão. Em segundo lugar, instalar dispositivos apropriados de eliminação de harmônicos primários para combater a sobretensão por ressonância. Após um acidente, responder prontamente e lidar corretamente para evitar escalonamento e impactos sociais. Finalmente, aprender com a experiência, melhorar as habilidades de tratamento de falhas e garantir a segurança da rede.